本發(fā)明屬于光學(xué)、電子技術(shù)、精密機(jī)械、顯微攝像等多學(xué)科交叉的前沿研究領(lǐng)域，具體涉及一種用于光學(xué)元件加工質(zhì)量在線檢測(cè)的光纖干涉共焦系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

大口徑光學(xué)元件對(duì)現(xiàn)代信息科學(xué)具有極為重要的意義。隨著加工精度的不斷發(fā)展，大口徑光學(xué)元件的加工精度不斷提高，其形狀精度需要達(dá)到與光波長(zhǎng)相同或者更高量級(jí)，表面粗糙度ra值小于光波長(zhǎng)的1/10，也就是處于亞微米或納米水平；另一方面，由于大口徑光學(xué)元件的面形參數(shù)往往處于宏觀尺度，這要求測(cè)試系統(tǒng)在測(cè)量中能夠兼顧大范圍和高精度測(cè)量。大口徑光學(xué)元件的高精度檢測(cè)包括表面面形、粗糙度和亞表面損傷三個(gè)參數(shù)，其中表面粗糙度和亞表面損傷是全面評(píng)價(jià)表面質(zhì)量的兩個(gè)參數(shù)。

從目前的測(cè)量方法看，光學(xué)元件的質(zhì)量檢測(cè)仍以光學(xué)方法為主。隨著以白光掃描干涉術(shù)為代表的一系列光學(xué)技術(shù)及裝置的迅速發(fā)展，越來(lái)越多的商業(yè)化白光干涉儀被應(yīng)用到這類(lèi)測(cè)量中，一些針對(duì)大范圍測(cè)量的研究更揭示了白光掃描干涉術(shù)應(yīng)用于這一領(lǐng)域的巨大潛力。白光干涉儀包括光源、干涉系統(tǒng)、掃描工作臺(tái)、顯微物鏡和ccd，主要是利用垂直位移臺(tái)完成垂直掃描過(guò)程；壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)掃描工作臺(tái)從而帶動(dòng)待測(cè)物，使其不同高度的表面依次達(dá)到零光程差位置，產(chǎn)生干涉條紋，由ccd記錄整個(gè)掃描過(guò)程中干涉條紋的變化情況，提取待測(cè)物的表面形貌，結(jié)合水平位移臺(tái)，該系統(tǒng)可進(jìn)行較大面積的形貌測(cè)量。另一方面，若要實(shí)現(xiàn)光學(xué)元件表面質(zhì)量的全面檢測(cè)，還應(yīng)對(duì)其亞表面損傷進(jìn)行無(wú)損評(píng)價(jià)，而亞表面損傷掩蓋在表層以下，復(fù)雜又隱蔽，其檢測(cè)非常困難，現(xiàn)有白光干涉儀還不能對(duì)其進(jìn)行直接測(cè)量；激光共焦層析法采用共軛焦點(diǎn)技術(shù)，使點(diǎn)光源、樣品及點(diǎn)探測(cè)器處于彼此對(duì)應(yīng)的共軛位置，沿光軸移動(dòng)物體就可得到光學(xué)元件深度方向的由亞表面損傷引起的光散射分布圖，結(jié)合光學(xué)散射和微弱信號(hào)處理技術(shù)，該方法是有望實(shí)現(xiàn)亞表面損傷定量檢測(cè)最有潛力的方法之一。然而，大口徑光學(xué)元件的加工質(zhì)量檢測(cè)仍然存在諸多挑戰(zhàn)：1)表面粗糙度和亞表面損傷不是在同一裝置上檢測(cè)，更不能保證對(duì)同一待測(cè)區(qū)域同時(shí)實(shí)現(xiàn)表面粗糙度和亞表面檢測(cè)，從而不能真實(shí)評(píng)價(jià)被測(cè)區(qū)域的加工質(zhì)量；2)對(duì)檢測(cè)環(huán)境要求極高，更對(duì)被測(cè)件尺寸、及其調(diào)整裝置的精度和穩(wěn)定性有很高的要求，這就限制了檢測(cè)只能在隔振、恒溫恒濕等條件較好的實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，大大降低了檢測(cè)效率。

因此，研究具有高度靈活性的基于光纖干涉的大型光學(xué)元件質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)，能以較少的調(diào)整維度達(dá)到較高的測(cè)量精度，同時(shí)降低對(duì)測(cè)量環(huán)境的要求，可以推廣至工況條件下使用，是目前亟待解決的工程難題；開(kāi)展光學(xué)元件質(zhì)量檢測(cè)方法和技術(shù)研究，通過(guò)白光干涉測(cè)量裝置與激光共焦層析裝置相結(jié)合，進(jìn)行大口徑光學(xué)元件表面和亞表面損傷同步檢測(cè)儀器的研究勢(shì)在必行。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種用于光學(xué)元件加工質(zhì)量在線檢測(cè)的光纖干涉共焦系統(tǒng)。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的：

用于光學(xué)元件加工質(zhì)量在線檢測(cè)的光纖干涉共焦系統(tǒng)，包括光源切換裝置、白光干涉裝置、激光共焦裝置，計(jì)算機(jī)以及分別與計(jì)算機(jī)連接的ccd相機(jī)和光電探測(cè)器；其中，

光源切換裝置包括寬帶光源、激光光源、第一光纖隔離器、第二光纖隔離器和2×1光纖耦合器；

白光干涉裝置包括2×2光纖耦合器、第一光纖準(zhǔn)直器、第二光纖準(zhǔn)直器、帶寬分光棱鏡和顯微物鏡；

激光共焦裝置包括2×2光纖耦合器、第一光纖準(zhǔn)直器、帶寬分光棱鏡和顯微物鏡；所述白光干涉裝置和激光共焦裝置采用共光路結(jié)構(gòu)，對(duì)同一檢測(cè)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)多參數(shù)同步檢測(cè)；

寬帶光源、激光光源、第一光纖隔離器、第二光纖隔離器、2×1光纖耦合器、光電探測(cè)器、2×2光纖耦合器、第一光纖準(zhǔn)直器和第二光纖準(zhǔn)直器之間均采用單模光纖進(jìn)行連接；第一光纖準(zhǔn)直器和第二光纖準(zhǔn)直器相對(duì)設(shè)置于帶寬分光棱鏡兩側(cè)的透射光軸上，管鏡鏡組和顯微物鏡分別設(shè)置于帶寬分光棱鏡兩側(cè)的反射光軸上，ccd相機(jī)位于管鏡鏡組焦點(diǎn)位置，ccd相機(jī)通過(guò)管鏡鏡組采集白光干涉圖像，光電探測(cè)器用于探測(cè)激光共焦信號(hào)，上述器件均以空間光路集成于一個(gè)測(cè)量探頭中。

本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，白光干涉裝置采用mach-zehnder結(jié)構(gòu)，在其參考光路中依次設(shè)置了光纖環(huán)形器、光延遲線、第三光纖準(zhǔn)直器、反射鏡和壓電陶瓷；其中，光延遲線和壓電陶瓷由計(jì)算機(jī)控制，分別用于參考光路光程的粗調(diào)和精調(diào)，以迅速定位干涉位置并實(shí)現(xiàn)軸向掃描。

本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，測(cè)量探頭中還設(shè)置了多孔環(huán)帶濾波器插件，該多孔環(huán)帶濾波器插件設(shè)置于顯微物鏡的前端，用于安裝不同中心遮擋圓的環(huán)形濾波器，實(shí)現(xiàn)激光共焦高分辨率成像；測(cè)量探頭安裝于五維運(yùn)動(dòng)臺(tái)上，用于對(duì)其進(jìn)行三維平移和二維旋轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)高自由度位姿調(diào)整。

本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，工作時(shí)，打開(kāi)寬帶光源，關(guān)閉激光光源，多孔環(huán)帶濾波器插件置空，計(jì)算機(jī)控制五維運(yùn)動(dòng)臺(tái)做三維平移和二維旋轉(zhuǎn)，使測(cè)量探頭以設(shè)定的高度垂直入射到待測(cè)光學(xué)元件表面上，通過(guò)觀察ccd相機(jī)成像，使顯微物鏡對(duì)焦到待測(cè)子孔徑區(qū)域；控制光延遲線和壓電陶瓷對(duì)干涉層進(jìn)行軸向移動(dòng)以選擇設(shè)定的表面掃描范圍，控制壓電陶瓷從設(shè)定高度開(kāi)始向下進(jìn)行表面形貌的掃描測(cè)量，獲取子孔徑區(qū)域表面面形、粗糙度參數(shù)以及亞表面損傷分布與類(lèi)型；

關(guān)閉寬帶光源，在光延遲線中對(duì)參考光路進(jìn)行切斷，打開(kāi)激光光源，在多孔環(huán)帶濾波器插件上選擇設(shè)定的環(huán)形濾波器，根據(jù)上一步得到的亞表面損傷分布與類(lèi)型，控制五維運(yùn)動(dòng)臺(tái)依次在損傷位置做軸向?qū)游?，獲取子孔徑區(qū)域亞表面損傷深度；

控制五維運(yùn)動(dòng)臺(tái)移動(dòng)測(cè)量探頭到下一個(gè)測(cè)量區(qū)域，重復(fù)上述操作，采用子孔徑拼接算法，完成整個(gè)評(píng)估區(qū)域的測(cè)量。

本發(fā)明具有如下的有益效果：

本發(fā)明提供的用于光學(xué)元件加工質(zhì)量在線檢測(cè)的光纖干涉共焦系統(tǒng)，將白光干涉裝置和激光共焦裝置進(jìn)行了共光路集成，可對(duì)同一檢測(cè)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)多參數(shù)同步檢測(cè)；另外，光纖器件的引入使實(shí)際干涉共焦系統(tǒng)變得靈活、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、抗干擾能力強(qiáng)，如測(cè)量探頭可與系統(tǒng)主體裝置分離，且空間距離可靈活調(diào)整，能夠?qū)崿F(xiàn)光學(xué)元件加工質(zhì)量的在線檢測(cè)。

進(jìn)一步，白光干涉裝置采用mach-zehnder光纖干涉結(jié)構(gòu)，結(jié)合測(cè)量探頭空間光路的設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)測(cè)量；光纖環(huán)形器的引入使得白光干涉軸向掃描測(cè)量過(guò)程可在遠(yuǎn)離測(cè)量探頭的地方進(jìn)行，增強(qiáng)測(cè)量探頭的靈活性；采用光延遲線和壓電陶瓷相結(jié)合的光程調(diào)整方法以迅速定位干涉位置并實(shí)現(xiàn)軸向掃描。

進(jìn)一步，測(cè)量探頭中，在顯微物鏡前端設(shè)計(jì)配備多孔環(huán)帶濾波器插件，用于安裝不同中心遮擋圓的環(huán)形濾波器，可實(shí)現(xiàn)高分辨率共焦顯微成像；測(cè)量探頭馱載于五維運(yùn)動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行位姿改變，無(wú)需調(diào)整待測(cè)光學(xué)元件位置，采用子孔徑拼接算法，可實(shí)現(xiàn)大口徑光學(xué)元件加工質(zhì)量的在線檢測(cè)。

進(jìn)一步，光纖白光干涉和激光共焦系統(tǒng)的共光路設(shè)計(jì)可保證光學(xué)元件表面面形、表面粗糙度和亞表面損傷的檢測(cè)處于同一區(qū)域，經(jīng)過(guò)一個(gè)檢測(cè)過(guò)程即可完成以上三個(gè)參數(shù)的測(cè)量，因此可真實(shí)有效地反映待測(cè)元件加工質(zhì)量。

附圖說(shuō)明

圖1為光纖干涉共焦集成測(cè)量系統(tǒng)示意圖。

圖中：1-寬帶光源，2-激光光源，3-第一光纖隔離器，4-第二光纖隔離器，5-2×1光纖耦合器，6-2×2光纖耦合器，7-第一光纖準(zhǔn)直器，8-第二光纖準(zhǔn)直器，9-帶寬分光棱鏡，10-計(jì)算機(jī)，11-顯微物鏡，12-管鏡鏡組，13-ccd相機(jī)，14-光電探測(cè)器，15-多孔環(huán)帶濾波器插件，16-五維運(yùn)動(dòng)臺(tái)，17-光纖環(huán)形器，18-光延遲線，19-第三光纖準(zhǔn)直器，20-反射鏡，21-壓電陶瓷，22-待測(cè)光學(xué)元件。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明具體實(shí)施方式作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

如圖1所示，本發(fā)明用于光學(xué)元件加工質(zhì)量在線檢測(cè)的光纖干涉共焦系統(tǒng)，包括光源切換裝置、白光干涉裝置、激光共焦裝置、計(jì)算機(jī)10和分別與計(jì)算機(jī)連接的ccd相機(jī)13、光電探測(cè)器14、五維運(yùn)動(dòng)臺(tái)16；其中，光源切換裝置由寬帶光源1、激光光源2、第一光纖隔離器3、第二光纖隔離器4和2×1光纖耦合器5構(gòu)成；白光干涉裝置采用mach-zehnder干涉結(jié)構(gòu)，由2×2光纖耦合器6、第一光纖準(zhǔn)直器7、第二光纖準(zhǔn)直器8、帶寬分光棱鏡9、光纖環(huán)形器17、光延遲線18、第三光纖準(zhǔn)直器19、反射鏡20和壓電陶瓷21構(gòu)成，ccd相機(jī)13通過(guò)管鏡鏡組12采集白光干涉圖像；激光共焦裝置采用反射式共焦結(jié)構(gòu)，由2×2光纖耦合器6、第一光纖準(zhǔn)直器7、帶寬分光棱鏡9、多孔環(huán)帶濾波器插件15和顯微物鏡11構(gòu)成，光電探測(cè)器14用于探測(cè)激光共焦信號(hào)；所述白光干涉裝置和激光共焦裝置采用共光路結(jié)構(gòu)，對(duì)同一檢測(cè)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)多信息同步檢測(cè)

如圖1所示，所有粗實(shí)線代表光纖光路，寬帶光源1為帶尾纖輸出的led，激光光源2為帶尾纖輸出的半導(dǎo)體激光器，光源切換裝置與干涉裝置、共焦裝置以及光纖器件之間均以單模光纖連接；圖中雙虛線代表空間光路，其上箭頭表明了光的傳播方向。虛線框表示測(cè)量探頭，其與五維運(yùn)動(dòng)臺(tái)16虛線連接表示機(jī)械裝配；圖中帶箭頭指向的細(xì)實(shí)線表示電路連接，分別表示了數(shù)據(jù)采集和光機(jī)控制。其中，所述寬帶光源1、激光光源2、第一光纖隔離器3、第二光纖隔離器4、2×1光纖耦合器5、2×2光纖耦合器6、第一光纖準(zhǔn)直器7、第二光纖準(zhǔn)直器8、光電探測(cè)器14、光纖環(huán)形器17、光延遲線18和第三光纖準(zhǔn)直器19之間均采用單模光纖進(jìn)行連接；所述第一光纖準(zhǔn)直器7和第二光纖準(zhǔn)直器8相對(duì)設(shè)置于帶寬分光棱鏡9兩側(cè)的透射光軸上，管鏡鏡組12和顯微物鏡11分別設(shè)置于帶寬分光棱鏡9兩側(cè)的反射光軸上，ccd相機(jī)13位于管鏡鏡組12焦點(diǎn)位置，多孔環(huán)帶濾波器插件15位于顯微物鏡11前端，上述器件均以空間光路集成于一個(gè)測(cè)量探頭中。

工作時(shí)分兩個(gè)階段，具體步驟為：

打開(kāi)寬帶光源1，關(guān)閉激光光源2，多孔環(huán)帶濾波器插件15置空，計(jì)算機(jī)10控制五維運(yùn)動(dòng)臺(tái)16做三維平移和二維旋轉(zhuǎn)，使測(cè)量探頭以設(shè)定的高度垂直入射到待測(cè)光學(xué)元件22表面上；寬帶光源1發(fā)出的白光經(jīng)過(guò)第一光纖隔離器3、2×1光纖耦合器5后從2×2光纖耦合器6的一端進(jìn)入，經(jīng)分光后從第一光纖準(zhǔn)直器7和第二光纖準(zhǔn)直器8射出，兩路光分別為參考光路和測(cè)量光路，測(cè)量光路的光從第一光纖準(zhǔn)直器7入射到帶寬分束棱鏡9上，經(jīng)反射后依次通過(guò)置空的多孔環(huán)帶濾波器插件15和顯微物鏡11后，聚焦于待測(cè)光學(xué)元件22上，經(jīng)待測(cè)光學(xué)元件22反射后再次通過(guò)顯微物鏡11、多孔環(huán)帶濾波器插件15，入射到帶寬分束棱鏡9的分束面上；參考光路的光從光纖環(huán)形器17的第一端口進(jìn)入，從第二端口出射后依次通過(guò)光延遲線18、第三光纖準(zhǔn)直器19和反射鏡20后也再次反射耦合進(jìn)第三光纖準(zhǔn)直器19，沿原路返回又通過(guò)光延遲線18從光纖環(huán)形器17的第二端口進(jìn)入，再?gòu)牡谌丝谕ㄟ^(guò)第二光纖準(zhǔn)直器8入射到帶寬分束棱鏡9的分束面上；測(cè)量光和參考光在帶寬分束棱鏡9的分束面上發(fā)生干涉，經(jīng)管鏡鏡組12成像于ccd相機(jī)13上，記錄下測(cè)量口徑中微區(qū)域的顯微放大的白光干涉圖像；由計(jì)算機(jī)10控制光延遲線18和壓電陶瓷21對(duì)干涉層進(jìn)行軸向粗調(diào)和精調(diào)以快速選擇設(shè)定的表面掃描范圍，控制壓電陶瓷21從設(shè)定高度開(kāi)始向下進(jìn)行表面形貌的掃描測(cè)量，獲取子孔徑區(qū)域表面面形和粗糙度參數(shù)。

關(guān)閉寬帶光源1，在光延遲線18中對(duì)參考光路進(jìn)行切斷，打開(kāi)激光光源2，針對(duì)不同分辨率要求，在多孔環(huán)帶濾波器插件15上選擇設(shè)定的環(huán)形濾波器；激光光源2發(fā)出的激光通過(guò)第二光纖隔離器4、2×1光纖耦合器5后從2×2光纖耦合器6的一端進(jìn)入，沿測(cè)量臂從第一光纖準(zhǔn)直器7射出，經(jīng)帶寬分光棱鏡9分束面反射后依次通過(guò)多孔環(huán)帶濾波器插件15和顯微物鏡11，聚焦于待測(cè)光學(xué)元件22表面；經(jīng)待測(cè)表面反射或亞表面損傷散射后，光信號(hào)沿原路返回，再次耦合進(jìn)第一光纖準(zhǔn)直器7，從2×2光纖耦合器6的一端進(jìn)入，從連接光電探測(cè)器14的一端輸出，以本系統(tǒng)所用單模光纖的端面來(lái)代替探測(cè)針孔，在光纖的輸出端使用光敏面遠(yuǎn)大于纖芯的光電探測(cè)器14輸出積分光強(qiáng)；由計(jì)算機(jī)10控制五維運(yùn)動(dòng)臺(tái)16進(jìn)行軸向?qū)游?，完成子孔徑區(qū)域亞表面損傷參數(shù)的檢測(cè)。

控制五維運(yùn)動(dòng)臺(tái)16移動(dòng)測(cè)量探頭到下一個(gè)測(cè)量區(qū)域，重復(fù)上述操作，采用子孔徑拼接算法，完成整個(gè)評(píng)估區(qū)域的測(cè)量。